Сверхпроводящий туннельный переход

Сверхпроводящий туннельный переход ( STJ ), также известный как туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник ( SIS ), представляет собой электронное устройство, состоящее из двух сверхпроводников , разделенных очень тонким слоем изоляционного материала. Ток проходит через соединение посредством процесса квантового туннелирования . STJ является типом перехода Джозефсона , хотя не все свойства STJ описываются эффектом Джозефсона.

Эти устройства имеют широкий спектр применения, включая высокочувствительные детекторы электромагнитного излучения , магнитометры , быстродействующие элементы цифровых схем и схемы квантовых вычислений .

Все токи , протекающие через STJ, проходят через изолирующий слой посредством процесса квантового туннелирования . Туннельный ток состоит из двух компонентов. Во-первых, это туннелирование куперовских пар . Этот сверхток описывается соотношениями Джозефсона переменного и постоянного тока , впервые предсказанными Брайаном Дэвидом Джозефсоном в 1962 году. ^[1] За это предсказание Джозефсон получил Нобелевскую премию по физике в 1973 году. нулевой температуры, возникает, когда энергия от напряжения смещения${\ Displaystyle эВ}$вдвое превышает величину сверхпроводящей энергетической щели Δ. При конечной температуре небольшой туннельный ток квазичастиц, называемый током подщели, присутствует даже при напряжениях, менее чем в два раза превышающих энергетическую щель, из-за теплового продвижения квазичастиц над щелью.

Если STJ облучается фотонами с частотой , то на кривой постоянного тока-напряжения будут присутствовать как ступеньки Шапиро, так и ступеньки, обусловленные туннелированием с помощью фотонов. Ступени Шапиро возникают из-за отклика сверхтока и возникают при напряжениях, равных , где – постоянная Планка , – заряд электрона , – целое число . ^[2] Фотонное туннелирование возникает из-за отклика квазичастиц и приводит к появлению ступенек, смещенных по напряжению на относительно напряжения на промежутке. ^[3]${\ Displaystyle е}$${\ Displaystyle нхф / (2e)}$${\ Displaystyle ч}$${\ Displaystyle е}$${\ Displaystyle п}$${\ Displaystyle нхф / е}$

Устройство обычно изготавливается путем сначала нанесения тонкой пленки сверхпроводящего металла, такого как алюминий , на изолирующую подложку, такую ​​как кремний . Осаждение выполняется внутри вакуумной камеры . Затем в камеру вводят газообразный кислород , в результате чего образуется изолирующий слой из оксида алюминия ( AlO ) типичной толщины в несколько нанометров . После восстановления вакуума осаждается перекрывающий слой сверхпроводящего металла, завершающий СТП. Для создания четко определенной области перекрытия используется процедура, известная как метод Нимейера-Долана .${\ Displaystyle _ {2}}$${\ Displaystyle _ {3}}$обычно используется. В этом методе используется подвесной мост из резиста с нанесением под двойным углом для определения соединения.

Иллюстрация тонкопленочного сверхпроводящего туннельного перехода (STJ). Сверхпроводящий материал светло-голубой, изолирующий туннельный барьер — черный, а подложка — зеленая.

Энергетическая диаграмма сверхпроводящего туннельного перехода. Вертикальная ось — это энергия, а горизонтальная ось — плотность состояний . Куперовские пары существуют при энергии Ферми , обозначенной пунктирными линиями. Напряжение смещения V прикладывается к переходу, сдвигая энергии Ферми двух сверхпроводников относительно друг друга на энергию eV, где e — заряд электрона . Квазичастичные состояния существуют для энергий, превышающих Δ от энергии Ферми, где Δ — сверхпроводящая энергетическая щель. Зеленый и синий обозначают пустое и заполненное состояния квазичастиц соответственно при нулевой температуре.

Эскиз ВАХ сверхпроводящего туннельного перехода. Туннельный ток куперовской пары наблюдается при V = 0, тогда как туннельный ток квазичастиц наблюдается при V > 2∆/e и V < -2∆/e.